等離子體改性改善氨綸染色性能

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-10-13

氨綸是聚氨基甲酸酯彈性纖維，是由至少85%聚氨酯鏈段組成的線性大分子，其分子結(jié)構(gòu)為軟硬鏈段交替排列的嵌段共聚物，具有高伸長(zhǎng)、高回復(fù)的特點(diǎn)，伸長(zhǎng)率為500%~600%，瞬時(shí)彈性回復(fù)率在95%以上，少量添加可改善織物的彈性和穿著舒適性。基于以上特點(diǎn)，氨綸被稱為紡織品的“工業(yè)味精”。目前，氨綸主要用于包芯紗、針織物、機(jī)織物等紡織品，越來越多的新型面料和功能服裝都會(huì)使用氨綸作為增效纖維。除了在普通紡織面料中應(yīng)用，氨綸在衛(wèi)生用品和醫(yī)療領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如騎行服、瑜伽服、航空服中的部分彈力面料以及靜脈曲張患者的壓力服和醫(yī)用彈力帶等。氨綸的應(yīng)用日趨廣泛，并且在織物中的用量也越來越多。隨著差別化氨綸的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。

盡管氨綸具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但在染色性能方面，普通氨綸缺少與染料結(jié)合的官能團(tuán)，染料的上染率和染色牢度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使用要求，與其他纖維混紡時(shí)，常出現(xiàn)“露白”現(xiàn)象，尤其是與尼龍、棉纖維、滌綸陽離子結(jié)合染黑色或大紅色時(shí)，“露白”問題尤為嚴(yán)重。氨綸的“露白”問題會(huì)嚴(yán)重制約其在一些高檔面料和氨綸含量較高的紡織面料中的應(yīng)用，因此，改善氨綸的染色性能，對(duì)于拓展氨綸的應(yīng)用范圍、提高氨綸面料的檔次和附加值具有重要意義。

氨綸結(jié)構(gòu)

氨綸是氨基甲酸酯和脲基的嵌段共聚體，主要化學(xué)成分是聚氨基甲酸酯，分子鏈中既含柔性鏈段，也含剛性鏈段。

一般情況下，軟鏈段處于非結(jié)晶狀態(tài)，并且分子鏈中的氨基甲酸酯基占比較低，而氨綸的玻璃化溫度低于零下40℃，所以氨綸纖維在室溫下處于高彈態(tài)?？傮w來說，氨綸以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能會(huì)影響其染色性能：（1）氨綸分子鏈中基本不含極性基團(tuán)，且亞甲基和芳基的含量比較高，故氨綸纖維是一種疏水性纖維；（2）氨綸纖維分子結(jié)晶度高；（3）氨綸的嵌段共聚物結(jié)構(gòu)中硬鏈段結(jié)構(gòu)緊密，軟鏈段松弛但與染料的結(jié)合能力不強(qiáng)；（4）氨綸分子上有少量端位氨基的存在，可為染料的上染提供染座。因?yàn)槟┒税被鶖?shù)目較少，所以所染顏色比較淺。

等離子體改性改善氨綸染色性能

等離子體是由部分電子被“剝奪”后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。其是一種處于高度激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定氣體，由電子、離子、自由基、激發(fā)分子、中性粒子組成，呈電中性，是除固體、氣體和液體之外的物質(zhì)存在的第四態(tài)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)濕法處理工藝，等離子體處理聚合物材料有如下優(yōu)勢(shì)：（1）等離子體處理可以在不改變基布特性的前提下只改善材料的表面性能；（2）等離子體對(duì)材料表面的作用僅涉及幾到幾百納米，只會(huì)改善材料表面性能，不影響基體性能；（3）等離子體處理是物理過程，化學(xué)物質(zhì)的消耗量很少。等離子體技術(shù)是一種高能物理技術(shù)，在加工過程中不涉及水，可以大大減少對(duì)環(huán)境的污染，是一種環(huán)保的加工方式，符合碳達(dá)峰、碳中和的要求。

等離子體可以通過氣體放電（輝光放電或弧光放電）或高溫（火焰、電弧、核反應(yīng)等）產(chǎn)生，根據(jù)等離子體的離子溫度，可分為低溫等離子體和高溫等離子體。高溫等離子體又稱平衡等離子體，電子和分子或原子類粒子的溫度非常高，操作溫度為5000~20000K（4726.85~19726.85℃），纖維高分子材料在高溫下會(huì)發(fā)生熱分解，溫度太高會(huì)限制其應(yīng)用；低溫等離子體又稱非平衡等離子體，其電子和分子或原子類粒子的溫度不同，電子溫度仍然很高，分子或原子類粒子的溫度卻很低，這是低溫等離子體的特性之一，被處理材料的溫度不會(huì)超過375K（101.85℃）。工業(yè)上應(yīng)用的均為低溫等離子體。

低溫等離子體活性因素的能量水平高于有機(jī)化合物的化學(xué)鍵能，在化學(xué)上處于活潑狀態(tài)，使用這種等離子體處理有機(jī)化合物能打開化合物的化學(xué)鍵。其能通過產(chǎn)生自由基，在表層形成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)，利用這種效應(yīng)，低溫等離子體一般能使材料產(chǎn)生如下變化：表面交聯(lián)、產(chǎn)生自由基、引入新的基團(tuán)以及表層刻蝕，如圖1所示。必須指出的是，使用低溫等離子體處理紡織材料時(shí)，基本不影響材料的力學(xué)等性能。

圖1 等離子體與聚合物表面的相互作用

不同的氣體電離后所產(chǎn)生的活性粒子的種類不同，因此，對(duì)材料表面的改性效果也不同。反應(yīng)性氣體有O2、N2、CO、CO2和空氣等，所產(chǎn)生的等離子體中含有的化學(xué)活性種可以直接與材料表面發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而改變表面化學(xué)結(jié)構(gòu)；非反應(yīng)性氣體有Ar和He等，所產(chǎn)生的等離子體中的化學(xué)活性種不可以直接與材料表面發(fā)生反應(yīng)，但是可以利用其中的高能粒子轟擊材料表面，以產(chǎn)生大量高活性自由基，進(jìn)而改變材料表面的化學(xué)及物理性能。不同的氣體經(jīng)過等離子體處理后可以得到不同的官能團(tuán)，例如氫氣可以得到羥基、氧氣可以得到羧基、甲烷可以得到醛基、氨氣可以得到氨基等。這些官能團(tuán)都是活性基團(tuán)，能明顯提高材料表面活性，起到活化改性的作用。

因此，利用氮?dú)狻睔?、空氣等氣體，將氨綸絲放入放電區(qū)，可以在氨綸絲表面引入氨基，其反應(yīng)式如下：
NH₃→NH₂·+H·
NH₂→NH·+H·
N2+2H·→2NH·
RH→R·+H·
R·+NH₂·→RNH₂
RH+NH·→RNH₂
式中：RH代表氨綸的化學(xué)組成。

運(yùn)用該方法可以大大增加氨綸的氨基數(shù)目，為酸性染料上染氨綸提供染座，提高染料的上染率，增加染色深度，解決氨綸的“露白”問題。此外，低溫等離子體對(duì)氨綸有一定的刻蝕作用，會(huì)使氨綸絲表面變得粗糙，增加了入射光反復(fù)吸收和發(fā)射的途徑，使總體吸收強(qiáng)度提高，產(chǎn)生了一種深色效應(yīng)。

運(yùn)用低溫等離子體處理氨綸后，選擇合適的氣體，氨綸大分子上的氨基數(shù)目將大量增加。在酸性條件下，酸性染料的磺酸根帶負(fù)電，可以與氨綸上的氨基以離子鍵的方式結(jié)合上染，解決了氨綸的“露白”問題。該改性方法全程無需水和化學(xué)助劑的加入，無廢水等污染物產(chǎn)生。由此可見，低溫等離子體技術(shù)是一種高效環(huán)保的加工技術(shù)，可以解決氨綸的“露白”問題，符合碳達(dá)峰、碳中和的要求。

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